伍洲鵬

華南理工大學(xué) 廣東 廣州 510640

引言

建筑行業(yè)作為資源密集型行業(yè)，建筑能耗在全國(guó)能耗中占據(jù)大量比例，隨著碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的提出，這對(duì)建筑業(yè)的綠色、精細(xì)化發(fā)展提出了更高的要求?！笆奈濉弊》亢统青l(xiāng)建設(shè)科技發(fā)展規(guī)劃中提出要加快推進(jìn)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，解決建造方式粗放等問(wèn)題，“環(huán)保、節(jié)能、工業(yè)化”等“綠色建筑”理念也成為未來(lái)建筑行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。相比于傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)、木結(jié)構(gòu)，鋼框架結(jié)構(gòu)具有建筑布局靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、延性好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。鋼框架結(jié)構(gòu)中梁、柱均為線(xiàn)性構(gòu)件，而構(gòu)件的截面慣性矩較小，導(dǎo)致了純鋼框架結(jié)構(gòu)體系的整體抗側(cè)剛度較小，隨著結(jié)構(gòu)高度的增加，水平荷載作用下的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的層間位移較大，通常難以滿(mǎn)足規(guī)范要求，需要加大梁柱構(gòu)件的截面尺寸，才能滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的需求，而梁柱構(gòu)件采用大截面尺寸的話(huà)，必將減小建筑的使用空間[1]，往往通過(guò)改變梁柱截面尺寸不能達(dá)到良好的效果，同時(shí)這也對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震極為不利。因此，為了增大鋼框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度，常在鋼框架體系中設(shè)置鋼支撐這一類(lèi)抗側(cè)力構(gòu)件，從而提高結(jié)構(gòu)整體的側(cè)向剛度，滿(mǎn)足相應(yīng)的規(guī)范要求，通過(guò)支撐的布置，加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度，形成了兩道抗震防線(xiàn)（第一道防線(xiàn)是支撐，第二道防線(xiàn)是框架[2]），增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的延性。

在多、高層鋼結(jié)構(gòu)建筑中，鋼框架的梁柱構(gòu)件的平面布置往往較為簡(jiǎn)單，而支撐的布置則相對(duì)要靈活，由于支撐的類(lèi)型和布置位置的不同，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和側(cè)移存在差異，影響結(jié)構(gòu)整體的抗側(cè)剛度。如何合理地選擇支撐的型式和支撐的布置位置，滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)的整體抗側(cè)剛度是鋼框架-支撐體系設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。彭觀壽等[3]研究了單斜桿支撐布置對(duì)多層和高層鋼框架支撐結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度影響，得出結(jié)論表明：采用支撐后結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度遠(yuǎn)好于純框架結(jié)構(gòu)。竇國(guó)濤等[4]針對(duì)支撐的不同布置方式對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能的影響展開(kāi)研究，通過(guò)對(duì)六種不同支撐布置方式的框架結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度進(jìn)行了計(jì)算并與純框架對(duì)比分析。

支撐類(lèi)型種類(lèi)繁多，形式多樣。目前我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)建筑中的支撐類(lèi)型分為中心支撐、偏心支撐和屈曲約束型支撐。根據(jù)中心支撐的不同形式，可分為X支撐、單斜桿支撐、人字形支撐或K字形支撐，以及V形支撐等支撐類(lèi)型。中心支撐具有較大的抗側(cè)剛度，構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，能有效減小結(jié)構(gòu)的水平位移和改善結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布，在實(shí)際工程應(yīng)用中最為常用的中心支撐是人字形支撐和X型支撐，本文針對(duì)典型中心支撐鋼框架支撐布置對(duì)結(jié)構(gòu)的抗側(cè)性能影響進(jìn)行分析。

1 中心支撐布置對(duì)結(jié)構(gòu)單元抗彎、抗剪剛度的影響分析

支撐布置后與梁柱可形成一個(gè)結(jié)構(gòu)單元，結(jié)構(gòu)單元的抗剪剛度主要由支撐的軸向剛度與柱的抗側(cè)剛度提供，結(jié)構(gòu)單元的抗彎剛度主要由框架柱的軸向剛度提供[5]。不同支撐類(lèi)型與之對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元的抗剪剛度GA與抗彎剛度EI分別為：

1.1 人字形支撐

1.2 X型支撐

1.3 單斜桿支撐

式中GA-剪切剛度、EI-彎曲剛度、Ec、Eb-框架柱、支撐彈性模量、Ic-框架柱截面慣性矩、Ac、Ab-框架柱、支撐截面面積、α、β、γ-三種支撐水平夾角、h-結(jié)構(gòu)單元高度，a-結(jié)構(gòu)單元寬度。

式1-1～式1-6給出了三種支撐布置的結(jié)構(gòu)單元抗剪剛度和抗彎剛度的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，式1-1、1-3、1-5抗剪剛度GA公式中第一項(xiàng)為框架柱的抗側(cè)剛度，通過(guò)框架柱的彈性模量與截面慣性矩求得；第二項(xiàng)為支撐的軸向剛度為結(jié)構(gòu)單元提供的抗剪剛度。式1-1、1-3、1-5抗彎剛度EI公式考慮框架柱的軸向剛度的貢獻(xiàn)，不考慮支撐對(duì)結(jié)構(gòu)抗彎剛度的影響。由此看出，布置三種支撐后的結(jié)構(gòu)單元的抗剪剛度不同主要來(lái)自于支撐所提供的抗剪剛度，布置人字形支撐與X型支撐的差別為支撐布置的水平夾角；單斜桿支撐與X支撐的水平夾角是一致的，主要抗剪剛度的差距來(lái)源于構(gòu)成支撐的斜桿數(shù)量。結(jié)構(gòu)單元抗彎剛度由柱的軸向變形提供，三種支撐布置結(jié)構(gòu)單元的抗彎剛度一致。通過(guò)分析支撐布置水平夾角對(duì)結(jié)構(gòu)單元抗剪剛度的影響。當(dāng)支撐水平夾角為30°-40°時(shí)，支撐抗剪剛度取得較大值，在θ=35.2°時(shí)，取得最大值為0.385。由于支撐水平夾角θ的變化會(huì)影響支撐的長(zhǎng)度，進(jìn)而改變支撐的耗鋼量，人字形、X型、單斜桿支撐的長(zhǎng)度為：b/sinθ，則人字形、X型、單斜桿支撐單位體積提供的抗剪剛度均為：Ebsin2θcos2θ，在θ=45°時(shí)，取得最大值。通過(guò)分析可知，當(dāng)支撐水平夾角為30°～40°，支撐抗剪剛度取得較大值；當(dāng)支撐水平夾角為40°～50°，支撐單位體積提供的抗剪剛度取得較大值。因此，在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，支撐與水平方向的夾角宜控制在30°～50°。

2 中心支撐鋼框架支撐布置對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)移影響分析

為研究三種中心支撐類(lèi)型不同布置位置對(duì)鋼框架側(cè)移剛度的影響，針對(duì)單斜桿支撐、X型支撐、人字形支撐三種不同中心支撐類(lèi)型不同布置對(duì)結(jié)構(gòu)抗側(cè)性能的影響進(jìn)行對(duì)比分析，采用文獻(xiàn)[6]中計(jì)算模型，以8跨8層鋼框架為例，柱距選取4000mm，層高選取4000mm，結(jié)構(gòu)總跨度為32m，總高度為32m；梁柱截面采用工字型截面400mm×200mm×10mm×12mm，梁、柱及支撐均采用Q345B鋼材，頂層作用水平集中荷載20kN，支撐采用Φ89×3的圓鋼管，支撐布置采用對(duì)稱(chēng)布置及豎向通跨布置，布置方案如下。單斜桿支撐布置方案：支撐第一、四、五、八跨布置（方案a），支撐第一、三、六、八跨布置（方案b），支撐第一、二、七、八跨布置（方案c），支撐第三、四、五、六跨布置（方案d）；人字形支撐布置方案：支撐第一、四、五、八跨布置（方案e），支撐第一、三、六、八跨布置（方案f），支撐第一、二、七、八跨布置（方案g），支撐第三、四、五、六跨布置（方案h）；人字形支撐布置方案：支撐第一、四、五、八跨布置（方案i），支撐第一、三、六、八跨布置（方案j），支撐第一、二、七、八跨布置（方案k），支撐第三、四、五、六跨布置（方案1）。

從支撐的類(lèi)型角度將以上12種支撐布置方案分為3類(lèi)：①單斜桿支撐布置（方案a、b、c、d）；②人字形支撐布置（方案e、f、g、h）；③X型支撐布置（方案i、j、k、1）。從支撐的布置位置角度將上述方案分為4類(lèi)：①支撐均勻分散布置（方案b、f、j）；②支撐跨中集中布置（方案d、h、1）；③支撐集中布置于結(jié)構(gòu)邊跨（方案c、g、k）；④支撐集中布置于跨中、邊跨（方案a、e、i）。

通過(guò)選取了12種不同的支撐布置方案，利用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件SAP2000進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。在上述12種支撐布置方案中，對(duì)結(jié)構(gòu)的最大側(cè)移和抗側(cè)剛度進(jìn)行了計(jì)算，十二種方案（a-1）的結(jié)構(gòu)最大側(cè)向位移分別為：1.43，1.62，1.46，0.78，1.38，1.54，1.43，0.76，1.32，1.53，1.37，0.67（mm）；結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度分別為：13.99，12.35，13.7，25.64，14.49，12.99，13.99，26.32，15.15，13.07，14.6，29.85（kN/mm）。

結(jié)果表明：①支撐能大幅度提高結(jié)構(gòu)整體的抗側(cè)性能，與純鋼框架相比，結(jié)構(gòu)的最大側(cè)移從5mm減小到1.62mm～0.67mm，減小幅度達(dá)到67.6%～86.6%。②不同形式的支撐對(duì)鋼框架結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度的影響不同。在支撐相同布置位置下，單斜桿支撐框架的結(jié)構(gòu)最大側(cè)向位移總是比人字形、X型支撐大，人字形支撐和X型支撐對(duì)結(jié)構(gòu)抗側(cè)剛度的提高要優(yōu)于單斜桿支撐。③對(duì)于同一類(lèi)型的支撐，支撐跨中集中布置比支撐邊跨布置效果更好，支撐跨中集中布置與支撐其他布置位置的結(jié)構(gòu)最大側(cè)移量最大相差達(dá)到19%。

3 中心支撐鋼框架支撐不同支撐布置支撐耗鋼量計(jì)算

支撐的耗鋼量與支撐和鋼框架節(jié)點(diǎn)的連接形式有關(guān)，與對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造相關(guān)，在本文中難以精確計(jì)算，在這里僅作初步統(tǒng)計(jì)。在本文中選取文獻(xiàn)[7]中的支撐耗鋼量計(jì)算模型，單個(gè)節(jié)點(diǎn)耗鋼量為單根支撐耗鋼量的0.1倍。計(jì)算出十二種支撐布置方案下支撐總耗鋼量。十二種方案（a-l）的結(jié)構(gòu)支撐總耗鋼量分別為：1382.10kg（單斜桿支撐方案a-d），2367.27kg（人字形支撐方案e-h），3224.90 kg（X型支撐方案i-l）。

結(jié)果表明：①不同形式的支撐在支撐相同布置位置下，單斜桿支撐框架的支撐總耗鋼量比人字形、X型支撐小。②從耗鋼量的角度可以看出，單斜桿支撐的抗側(cè)效率要高于人字形和X型支撐。③十二種方案中，d種布置方式采用單斜桿支撐跨中集中布置用鋼最省，抗側(cè)剛度較大，抗側(cè)性?xún)r(jià)比最高。④對(duì)于同一類(lèi)型的支撐，支撐跨中集中布置比支撐邊跨布置耗鋼量更少。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，分析不同中心支撐布置對(duì)平面鋼框架的抗側(cè)性能影響，并對(duì)各種支撐布置方案下單位抗側(cè)剛度支撐耗鋼量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。得出以下結(jié)論：①當(dāng)支撐水平夾角為30°～40°時(shí)，支撐抗剪剛度取得較大值；當(dāng)支撐水平夾角為40°～50°，支撐單位體積提供的抗剪剛度取得較大值。建議在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，支撐與水平方向的夾角控制在30°～50°。②本文通過(guò)選取了12種不同的中心支撐布置方案，對(duì)結(jié)構(gòu)的最大側(cè)移和抗側(cè)剛度進(jìn)行了計(jì)算，并進(jìn)行支撐耗鋼量計(jì)算。從這十二種不同的支撐布置方案的計(jì)算結(jié)果中可以看出：a.不論是采用單斜桿支撐、人字形支撐，還是X型支撐，支撐集中布置于結(jié)構(gòu)中間跨方案中支撐所提供的抗側(cè)剛度優(yōu)于將支撐布置在邊跨或其他跨的方案。b.在相同支撐布置方式下，支撐相同耗鋼量下，單斜桿支撐比人字形、X型支撐具備更高的抗側(cè)性?xún)r(jià)比，但人字形支撐有利于在支撐桿之間開(kāi)設(shè)門(mén)窗洞口，能更好地滿(mǎn)足建筑平面布置的需要，這里需要設(shè)計(jì)師去合理設(shè)計(jì)。